可编程控制器的通信及网络

第8章可编程控制器的通信及网络•8．1通信网络的基础知识•8．2可编程控制器的网络第8章可编程控制器的通信及网络•三菱公司的PLC网络系统，根据其连接方式和结构可分为：上位连接系统；下位连接系统；同位连接系统；复合型网络连接系统。•本章先介绍通信网络基础知识、可编程控制器的网络、最后介绍三菱公司PLC网络系统。•8．1通信网络的基础知识•8．1．1数据通信基础•数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机器。•数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和PLC及其它数字设备连接起来，高效率地完成数据的传送、信息交换和通信处理三项任务。•数据通信系统一般由传送设备、传送控制设备和传送协议及通信软件等组成。•1．数据传送方式•(1)并行通信与串行通信•两种基本方式：•并行通信——所传送数据的各位同时发送或接收；•串行通信——所传送数据按顺序一位一位地发送或接收。•并行通信传送速度快，但一个并行数据有多少位二进制数，就需要多少第8章可编程控制器的通信及网络•根传送线，通信线路复杂，成本高,常用于近距离的通信。•串行通信仅需一根到两根传送线，长距离传送时，通信线路简单、成本低，但传送速度慢，常用于长距离传送而速度要求不高的场合。•(2)同步和异步传送•串行通信中采用两种同步技术——异步传送和同步传送。•①异步传送•也称起止式传送，利用起止法来达到收发同步的。•异步传送时，被传送的数据编码成一串脉冲。字节的传送由起始位“0”开始；然后是被编码的字节，通常规定低位在前，高位在后；接下来是校验位(可省略)；最后是停止位“1”(可以是l位、1.5位、或2位)表示字节的结束。格式如图8-l所示。•图8-l串行通信异步传送•异步传送方式硬件结构简单，但每一个字节都要加起始位、停止位，传第8章可编程控制器的通信及网络•传送效率低，主要用于中、低速的通信。•②同步传送•在数据开始处用同步字符(通常为l-2个)来指示。由定时信号(时钟)实现发送端同步，一旦检测到与规定的同步字符相符合，接下去就连续按顺序传送数据。•数据以一组数据(数据块)为单位传送，数据块中每字节不需要起始位和停止位.通常用于数据传送速率超过2000bps的系统。•（3）基带传送和频带传送•①基带传送•基带指电信号的基本频带。计算机或数字设备产生的“0”和“1”的电信号脉冲序列是基带信号。•基带传送指数据传送系统对信号不做任何调制，直接传送的数据传送方式。•②频带传送•将信号调制到某一频带上的传送方式。当进行频带传送时，用调制器把二进制信号调制成音频信号(模拟信号)，在通信线路上进行传送。信号传送到接收端后，再经过解调器的解调，把音频信号还原成二进制的电信号。•基带传送方式整个频带范围都用来传送某一数字信号，即单信道。常用第8章可编程控制器的通信及网络•于半双工通信。•频带传送时，在一条传送线上可用频带分割的方法将频带划分为几个信道，同时传送多路信号。•2．数据传送方向•在通信线路上按照数据传送的方向可以划分为单工、半双工和全双工通信方式。•(1)单工通信方式•指信息的传送始终保持同一个方向，而不能进行反向传送，如图8-2(a)示。其中A端只能作为发送端，B端只能作为接收端。•(2)半双工通信方式•指信息流可以在两个方向上传送，但同一时刻只限于一个方向传送，如图8-2(b)示，其中A端和B端都具有发送和接收的功能.•图8-2通信方向•(3)全双工通信方式•全双工通信能在两个方向上同时发送和接收，如图8-2(c)所示。A端和B第8章可编程控制器的通信及网络•端双方都可以一面发送数据，一面接收数据。•3．传送介质•常用传送介质有：同轴电缆、双绞线、光缆。其中双绞线(带屏蔽)：成本低、安装简单；光缆：尺寸小、重量轻、传输距离远，但成本高，安装维修需专用仪器。具体性能见表8-1(P287)。•4．串行通信接口标准•(1)RS-232C串行接口标准•RS-232C是1969年由美国电子工业协会EIA(E1ectronicIndustriesAssociation)公布的串行通信接口标准。“RS”是英文“推荐标准”一词的缩写，“232”是标识号，“C”表示此标准修改的次数。它即是一种协议标准，又是一种电气标准，规定了终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。PLC与上位计算机间的通信通过RS-232C标准接口来实现。•①接口的机械特性•RS-232C的标准接插件是25针的D型连接器。其机械尺寸和外形如图8-3所示。•②接口的电气特性•RS-232C采用负逻辑。规定逻辑“1”电平在-5V～-15V范围内，逻辑“0”在+5V～+15V范围内。这样在线路上传送的电平可高达±12V.第8章可编程控制器的通信及网络•图8-325针D型连接器•RS-232C标准中还规定：最大传送距离为15m(实际上可达约30m)，最高传送速率为20Kbps(Kbit/s)。•③接口的信号功能•RS-232C定义了25针连接器中的20条连接线。其中在PLC与上位计算机连接器中用到的信号线见表8-2(P288)。•④RS-232C的不足之处•传送速率和距离有限；•没有规定连接器，因而产生25针不同的设计方案，这些方案有时不兼容；•每根信号线只有一根导线，两个传送方向，仅有一根信号地线，存在潜在的地线回流问题；•接口应用不平衡的发送器和接收器，可能在信号成分间产生干扰。第8章可编程控制器的通信及网络•(3)RS-422A、RS-423A与RS-449、RS-485•①RS-449标准•EIA于1977年制定了新标准RS-449，其特点是：•支持较高的数据传送速率；•支持较远的传送距离；•制定连接器的技术规范；•提供平衡电路改进接口电气特性。•EIA的RS-449标准定义了RS-232C中所没有的10种电路功能，规定用37脚的连接器.•EIA推荐的串行通信的主要性能参数见表8-3(P289)。•②RS-422A和RS-485及其应用•目前在PLC局域网络中广泛应用的RS-485串行接口总线实际上是RS-422A的变形，它与RS-422A不同点在于RS-422A为全双工，RS-485为半双工，RS-422A采用两对平衡差分信号线，而RS-485只需其中一对。•RS-422A／485互联方案见图8-4示，这个电路可以构成RS-422A串行接口(按图中虚线连接)，也可以构成RS-485接口(按图中实线连接).第8章可编程控制器的通信及网络•图8-4RS-422A／485互联方案•RS-485串行接口用于多站互连的原理如图8-5所示。•图8-5多站互连的RS-485(最多32对驱动器／接收器)•RS-422A与RS-485的比较见表8-4(P290)。•(4)RS-232C／422A转换电路第8章可编程控制器的通信及网络•两台或多台带有RS-232C接口的设备远距离(如数百米)连接进行通信或组成分散式系统，不能直接用RS-232C串行接口连接，但可采用RS-232C／422A转换电路进行连接，如图8-6示。•图8-6RS-232C／422A转换装置电原理图•8.1.2工业局域网基础•将地理位置不同而又具有各自独立功能的多台计算机，通过通信设备和通信线路相互连接起来构成计算机系统称为计算机网络。网络中每台计算机或交换信息的设备称为网络的站或结点。•网络按站间距离分为：•①全域网:GAN(GlobalAreaNetwork),通过卫星通信连接各大洲不同国家。第8章可编程控制器的通信及网络•②广域网(又称远程网)：它站点分布范围很广,从几公里到几千公里。•③局域网：地理范围有限，通常在几十米到几千米。数据通信传送速率高，误码率低；网络拓扑结构比较规则.•1．局域网四大要素•网络的拓扑结构、介质访问控制、通道利用方式、传送介质，是局域网的四大要素。•(1)网络拓扑结构•指网络中的通信线路和结点间的几何布置，用以表示网络的整体结构外貌，它反映了各个模块间的结构关系.•①星形网络以中央结点为中心与各结点连接组成，网络中任何两个结点进行通信都必须经过中央结点控制，其网络结构如图8-7(a)示。②环形网络网中各结点通过环路通信接口或适配器连在一条首尾相连的闭合环形通信线路上。环路上任何结点均可以请示发送信息，请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。环形网中的数据主要是单向传送，也可以是双向传送。环形网络结构如图8-7(b)所示。第8章可编程控制器的通信及网络•图8-7网络拓扑结构图•③总线形网络•利用总线把所有结点连接起来，这些结点共享总线，对总线有同等访问权。总线形网络结构如图8-7(c)示。•(2)介质访问控制•指对网络通道占有权的管理和控制。•局域网络上的信息交换方式有两种：一种是线路交换，即发送结点与接收结点之间有固定的物理通道，且该通道一直保持到通话结束，如电话系统。第二种是“报文交换”或“包交换”。这种交换方式是把编址数据组，从一个转换结点传到另一个转换结点，直到目的站。•介质访问控制主要有两种方法：•①令牌传送方式•对介质访问的控制权以令牌为标志。令牌是一组二进制码，网络上的结点按某种规则排序，令牌被依次从一个结点传到下一个结点，只有得到第8章可编程控制器的通信及网络•令牌的结点才有权控制和使用网络。•②争用方式•允许网络中各结点自由发送信息。当两个以上结点同时发送时会出现线路冲突，需要做些规定，加以约束。目前常用的是CSMA／CD规约(以太网规约)，即带冲突检测的载波监听多路存取协议。•2．网络模型•开放系统互连参考模型OSI/RM(OpenSystemInterconnection/ReferenceModel),1979年国际标准化组织(ISO)提出.该模型规定了七个功能层,每层都使用自己的协议,结构如图8-8示。•(1)OSI层次结构•①物理层(Physical)•物理层在信道上传送未经处理的信息，该层协议涉及通信双方的机械、电气和连接规程。•②数据链路层(DataLink)•任务是将可能有差错的物理链路，改造成对于网络层来说是无差错的传送线路。•③网络层(Network)•也称为分组层，任务是使网络中传送分组。第8章可编程控制器的通信及网络•④传输层(Transport)•基本功能是从会话层接收数据，把它传到网络层，并保证这些数据正确地到达目的地。•⑤会话层(Session)•控制一个通信会话进程的建立和结束。•⑥表示层(Presentation)•实现不同信息格式和编码之间的转换。•⑦应用层(Application)•应用层的内容，要根据对系统的不同要求而定.•图8-8网络协议分层结构图•(2)IEEE802参考模型•美国电气和电子工程协会(IEEE)1980年2月提出局域网络协议草案(称之为802协议)。目前工业局域网中用得最多的一种。•该协议将OSI模型最低两层分为三层，即物理信号层、介质访问控制层和逻辑链路控制层。它们的对应关系如图8-9示。•802协议中定义了三种介质访问技术，即802.3(CSMA／CD)、802.4(TokenBus)和802.5(TokenRing)。•①IEEE802.3第8章可编程控制器的通信及网络•图8-9802模型和OSI模型对应关系•又称“以太网”规约。这是一种适合于总线局域网的介质访问控制方法，如图8-10示。•图8-10总线局域网•为使总线局域各站点的信息发送和接收不产生相互冲突，必须制定传送控制规程，即载波检测多路访问／冲突检测CSMA／CD(CarrierSense第8章可编程控制器的通信及网络•Multip1eAccess/Co11isionDetect)。该规程下的工作流程如图8-11示.图8-11CSMA／CD工作流程•②IEEE802.4•令牌总线规约。其内容包括令牌传送总线的介质访问控制方法和物理规范。基本特征是在一条物理总线上实现一个逻辑环。如图8-12示。•③IEEE802.5•令牌环规约。其内容包括令牌环介质访问控制方法和物理层规范。拓扑结构为环形。如图8-13所示。第8章可编程控制器的通信及网络•图8-12令牌总线相当于一个逻辑环•